Draadloze microsensoren hebben nieuwe manieren mogelijk gemaakt om onze omgeving te bewaken door gebruikers in staat te stellen ruimtes te meten die voorheen verboden waren voor onderzoek, zoals giftige gebieden, voertuig componenten, of afgelegen gebieden in het menselijk lichaam. onderzoekers, echter, zijn gedwarsboomd door beperkte verbeteringen in de kwaliteit van gegevens en gevoeligheid van deze apparaten als gevolg van uitdagingen in verband met de omgevingen waarin ze werken en de behoefte aan sensoren met extreem kleine footprints.

Een nieuw artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuur Elektronica door onderzoekers van het Advanced Science Research Center (ASRC) van The Graduate Center van The City University of New York, Wayne Staatsuniversiteit, en de Technische Universiteit van Michigan, legt uit hoe nieuwe apparaten met mogelijkheden die veel verder gaan dan die van conventionele sensoren kunnen worden gebouwd door concepten uit de kwantummechanica te lenen.

Het team, onder leiding van Andrea Alù, directeur van het ASRC's Photonics Initiative en Einstein Professor of Physics bij The Graduate Center, en Pai-Yen Chen, professor aan de Wayne State University, ontwikkelde een nieuwe techniek voor het ontwerpen van microsensoren die een aanzienlijk verbeterde gevoeligheid en een zeer kleine voetafdruk mogelijk maakt. Hun methode omvat het gebruik van isospectrale pariteit-tijd-reciproke schaling, of PTX-symmetrie, om de elektronische schakelingen te ontwerpen. Een 'lezer' is gekoppeld aan een passieve microsensor die voldoet aan deze PTX-symmetrie. Het paar bereikt zeer gevoelige radiofrequentiemetingen.

"In de poging om de sensoren te miniaturiseren om hun resolutie te verbeteren en grootschalige netwerken van sensorapparatuur mogelijk te maken, het verbeteren van de gevoeligheid van microsensoren is cruciaal, " zei Alù. "Onze aanpak komt aan deze behoefte tegemoet door een algemene symmetrievoorwaarde te introduceren die metingen van hoge kwaliteit mogelijk maakt in een geminiaturiseerde voetafdruk."

Het werk bouwt voort op recente ontwikkelingen op het gebied van kwantummechanica en optica, die hebben aangetoond dat systemen symmetrisch onder ruimte- en tijdinversie, of pariteitstijd (PT) symmetrisch, kan voordelen bieden voor het sensorontwerp. Het artikel generaliseert deze eigenschap naar een bredere klasse van apparaten die voldoen aan een meer algemene vorm van symmetrie:PTX-symmetrie. Dit soort symmetrie, is bijzonder geschikt om een ​​hoge gevoeligheid te behouden, terwijl de voetafdruk drastisch wordt verkleind.

De onderzoekers konden dit fenomeen aantonen in een telemetrisch sensorsysteem op basis van een radiofrequent elektronisch circuit, die een drastisch verbeterde resolutie en gevoeligheid vertoonde in vergelijking met conventionele sensoren. De op micro-elektromechanische (MEMS) gebaseerde draadloze druksensoren delen de gevoeligheidsvoordelen van eerdere PT-symmetrische apparaten, maar cruciaal is dat de gegeneraliseerde symmetrieconditie zowel apparaatminiaturisatie mogelijk maakt als een efficiënte realisatie bij lage frequenties binnen een compact elektronisch circuit mogelijk maakt.

Deze nieuwe benadering kan onderzoekers in staat stellen de huidige uitdagingen te overwinnen bij het inzetten van alomtegenwoordige netwerken van langdurige, onopvallende microsensoren om grote gebieden te bewaken. In het tijdperk van het internet der dingen en big data, dergelijke netwerken zijn nuttig voor draadloze gezondheid, slimme steden, en cyber-fysieke systemen die dynamisch grote hoeveelheden informatie verzamelen en opslaan voor eventuele analyse.

"De ontwikkeling van draadloze microsensoren met een hoge gevoeligheid is een van de grootste uitdagingen voor praktisch gebruik in bio-implantaten, draagbare elektronica, internet van dingen, en cyber-fysieke systemen, "Zei Chen. "Hoewel er continue vooruitgang is geboekt in miniatuur micro-gefreesde sensoren, de basis van telemetrische uitleestechniek blijft in wezen onveranderd sinds de uitvinding. Deze nieuwe telemetrie-aanpak zal het lang gezochte doel mogelijk maken om met succes kleine fysieke of chemische activeringen van contactloze microsensoren te detecteren."